材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽背景下學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的探索與實(shí)踐

李曉偉,耿 欣,曹 俊,孫紅美

(1.山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.諸城市龍城中學(xué)，山東 濰坊 262226)

工科生是企業(yè)未來(lái)主要的建設(shè)力量之一，在科技高速發(fā)展的今天，需要較高的創(chuàng)造能力和實(shí)踐能力，才能與時(shí)俱進(jìn)，緊跟產(chǎn)業(yè)前沿[1]。工科生本科階段的各種大賽則為學(xué)生提供了創(chuàng)新實(shí)踐的平臺(tái)，幫助學(xué)生系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)創(chuàng)新實(shí)踐的內(nèi)涵、組織形式和應(yīng)用價(jià)值。山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為工科學(xué)生主辦的材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，旨在深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，引導(dǎo)、支持、鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展科技創(chuàng)新活動(dòng)，展示科技創(chuàng)新成果，培育一批有創(chuàng)新潛質(zhì)和研究能力的優(yōu)秀人才，以推動(dòng)萬(wàn)眾創(chuàng)新。大賽始于2013年，每年一屆，迄今為止已成功舉辦六屆。筆者通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生參加材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，在文獻(xiàn)調(diào)研、創(chuàng)新立意、實(shí)踐操作、科學(xué)思維等方面培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1 工科生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀

目前，在我國(guó)本科教育模式中，教師講授仍占據(jù)主導(dǎo)地位，學(xué)生自主學(xué)習(xí)為輔[2]。在課堂理論授課環(huán)節(jié)，仍有不少教師側(cè)重知識(shí)點(diǎn)的講授，缺少對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的關(guān)注，忽略了學(xué)生對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐的訴求，使得課堂缺乏吸引度[3]。在實(shí)驗(yàn)授課環(huán)節(jié)，不少學(xué)生僅僅按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行規(guī)范操作，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，缺少主動(dòng)思維和探索過(guò)程，使得實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)乏味無(wú)趣，創(chuàng)新實(shí)踐能力得不到有效提升。如果學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力得不到有效的提升，勢(shì)必難以應(yīng)對(duì)當(dāng)今日新月異發(fā)展的科學(xué)技術(shù)所帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。因此，學(xué)生必須具備一定的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，才能持續(xù)成長(zhǎng)，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展。

2 通過(guò)材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力

2.1 培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研能力

文獻(xiàn)是人類智慧的載體，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研能夠有效地掌握學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，是開(kāi)展科研工作的基礎(chǔ)和前提[4]。學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研可分為四個(gè)階段：最初階段，教師指導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)使用、文獻(xiàn)分類檢索等知識(shí)。第二階段，教師下載幾篇學(xué)科領(lǐng)域的代表性文獻(xiàn)，分發(fā)給小組成員，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行閱讀、翻譯和討論。在這個(gè)階段，學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的文獻(xiàn)閱讀技巧和文獻(xiàn)查閱方法。第三階段，教師指導(dǎo)學(xué)生分工協(xié)作，在學(xué)科細(xì)分領(lǐng)域中查閱不同研究課題組的文獻(xiàn)，精讀后討論。在這個(gè)階段，學(xué)生已經(jīng)掌握了現(xiàn)有研究現(xiàn)狀，并且通過(guò)討論，可以對(duì)比分析并自行指出現(xiàn)有研究的借鑒之處和不足之處，提出問(wèn)題。最后階段，教師引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生就提出的問(wèn)題，進(jìn)行有目的性的文獻(xiàn)調(diào)研。在這個(gè)階段，學(xué)生已經(jīng)對(duì)所提出的問(wèn)題具有明確的目標(biāo)，并能夠提出切實(shí)可行的研究方案。參賽學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的使用和大量的文獻(xiàn)查閱訓(xùn)練，提升了自己的文獻(xiàn)調(diào)研能力，同時(shí)培養(yǎng)了科學(xué)思維。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新立意能力

創(chuàng)新立意是科研工作的核心內(nèi)容之一，也是決定科研水平的關(guān)鍵指標(biāo)。創(chuàng)新立意的過(guò)程大致包括研讀文獻(xiàn)，形成假說(shuō)，提出創(chuàng)新等。本科生剛剛接觸材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，對(duì)新材料充滿好奇，很多學(xué)生是在老師的指導(dǎo)下，通過(guò)研讀文獻(xiàn)來(lái)構(gòu)建所研究課題的創(chuàng)新之處。比如，本組學(xué)生通過(guò)研讀鋰離子電池方面的文獻(xiàn)，了解到硅負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性是制約鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵因素，明確了將硅材料多孔化和碳復(fù)合可改善硅負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，了解到硅烷產(chǎn)業(yè)每年排放大量的含硅工業(yè)廢料，不但造成巨大浪費(fèi)，還存在嚴(yán)重的環(huán)境污染隱患。于是，學(xué)生提出“將工業(yè)硅廢料作為制備鋰離子電池硅負(fù)極的硅源”，這將極大地降低硅負(fù)極成本，又可顯著提高其工業(yè)附加值。該課題的創(chuàng)新性體現(xiàn)在：既實(shí)現(xiàn)了工業(yè)硅廢料的再利用，大大提高其工業(yè)附加值，又為鋰離子電池高比容量、高循環(huán)穩(wěn)定性的硅負(fù)極材料提供了一條廉價(jià)的制備途徑，可作為綠色能源產(chǎn)業(yè)鏈上的重要一環(huán)。在這一過(guò)程中，指導(dǎo)老師對(duì)學(xué)生的思路給予充分肯定和適度引導(dǎo)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新立意能力。

2.3 培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力

實(shí)踐操作是開(kāi)展科研工作極為重要的一步，也是科研成敗的關(guān)鍵之一。學(xué)生完成了科研選題，提出了創(chuàng)新點(diǎn)，接下來(lái)需要實(shí)踐操作來(lái)驗(yàn)證和修正。實(shí)踐操作主要體現(xiàn)在研究?jī)?nèi)容和研究方案的制定上。本組學(xué)生在老師的引導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)相互討論，確立了與硅負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性直接相關(guān)的兩個(gè)研究?jī)?nèi)容，包括多孔結(jié)構(gòu)對(duì)硅負(fù)極嵌脫鋰過(guò)程中體積變化產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力的減緩和碳復(fù)合對(duì)硅負(fù)極粉化及導(dǎo)電性的影響。對(duì)應(yīng)上述研究?jī)?nèi)容，學(xué)生參照文獻(xiàn)資料，針對(duì)性地制定了切實(shí)可行的研究方案。最后，小組成員分工明確，有序地開(kāi)展相關(guān)材料的制備和性能測(cè)試。在這一過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作，切身體驗(yàn)，不斷用實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正研究思路，驗(yàn)證課題的創(chuàng)新立意，有效地培養(yǎng)了實(shí)踐操作能力。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

科學(xué)思維大致可包括數(shù)據(jù)分析處理和結(jié)果討論兩個(gè)過(guò)程，在科學(xué)研究中占有十分重要的地位。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理是獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果和得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的重要途徑。工科生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理的經(jīng)驗(yàn)大多來(lái)自本科實(shí)驗(yàn)課，多是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的判斷，更缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論。為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，指導(dǎo)教師充分參與到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生準(zhǔn)確詳細(xì)地記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)偏離數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒別，對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析等手段，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，肯定學(xué)生總結(jié)出來(lái)的結(jié)論，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行深入挖掘，探索背后機(jī)理。在這一過(guò)程，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力，還培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和勇于探索的科研精神。

3 總結(jié)

學(xué)生在備戰(zhàn)材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中，通過(guò)開(kāi)展文獻(xiàn)調(diào)研、創(chuàng)新立意、實(shí)踐操作和科學(xué)思維等過(guò)程，初步培養(yǎng)了創(chuàng)新實(shí)踐能力。同時(shí)，小組負(fù)責(zé)人通過(guò)安排分工、組織討論、編制預(yù)算和把握進(jìn)程，科研管理能力也得到了提升。此外，筆者在指導(dǎo)學(xué)生備戰(zhàn)大賽中發(fā)現(xiàn)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生科研熱情，可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的探索欲，更能有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。